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- 2021-06-16 发布
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立体几何的综合问题
命题动向:从近五年的高考试题来看,立体几何是历年高考的重
点,约占整个试卷的 13%,通常以一大一小的模式命题,以中、低档
难度为主.三视图、简单几何体的表面积与体积、点、线、面位置关
系的判定与证明以及空间向量与空间角(特别是二面角)的计算是考查
的重点内容,前者多以客观题的形式命题,后者主要以解答题的形式
加以考查.着重考查推理论证能力和空间想象能力,而且对数学运算
的要求有加强的趋势.转化与化归思想贯穿整个立体几何的始终.
题型 1 空间点、线、面的位置关系
例 1 [2017·北京高考]如图,在三棱锥 P-ABC 中,PA⊥AB,
PA⊥BC,AB⊥BC,PA=AB=BC=2,D 为线段 AC 的中点,E 为线
段 PC 上一点.
(1)求证:PA⊥BD;
(2)求证:平面 BDE⊥平面 PAC;
(3)当 PA∥平面 BDE 时,求三棱锥 E-BCD 的体积.
解题视点 (1)根据线面垂直的判定定理即可证明;(2)由等腰三
角形性质和(1)问结论证线面垂直,再由面面垂直判定定理即可证明;
(3)关键是先由直线与平面平行的性质定理证线线平行,再由线面垂
直的结论证三棱锥的高.
解 (1)证明:因为 PA⊥AB,PA⊥BC,所以 PA⊥平面 ABC.
又因为 BD⊂平面 ABC,所以 PA⊥BD.
(2)证明:因为 AB=BC,D 为 AC 的中点,所以 BD⊥AC.
由(1)知,PA⊥BD,
所以 BD⊥平面 PAC,又 BD⊂平面 BDE,
所以平面 BDE⊥平面 PAC.
(3)因为 PA∥平面 BDE,平面 PAC∩平面 BDE=DE,
所以 PA∥DE.
因为 D 为 AC 的中点,所以 DE=1
2
PA=1,BD=DC= 2.
由(1)知,PA⊥平面 ABC,所以 DE⊥平面 ABC,
所以三棱锥 E-BCD 的体积 V=1
6
BD·DC·DE= 1
3
.
冲关策略
立体几何中证明线线垂直往往是通过线面垂直来实现的,即一条
直线垂直于另一条直线所在的平面,根据直线和平面垂直的定义,从
而得到这两条直线垂直.解决这类问题要运用转化策略,特别要注意
面面垂直的性质定理“如果两个平面互相垂直,在一个平面内垂直于
它们交线的直线垂直于另一个平面”,这是立体几何中“作一个平面
的垂线”的主要依据.
变式训练 1
[2015·江苏高考]如图,在直三棱柱 ABC-A1B1C1 中,已知 AC⊥
BC,BC=CC1,设 AB1 的中点为 D,B1C∩BC1=E.
求证:(1)DE∥平面 AA1C1C;
(2)BC1⊥AB1.
证明 (1)由题意知,E 为 B1C 的中点,
又 D 为 AB1 的中点,因此 DE∥AC.
又因为 DE⊄平面 AA1C1C,AC⊂平面 AA1C1C,
所以 DE∥平面 AA1C1C.
(2)因为棱柱 ABC-A1B1C1 是直三棱柱,
所以 CC1⊥平面 ABC.
因为 AC⊂平面 ABC,
所以 AC⊥CC1.
又因为 AC⊥BC,CC1⊂平面 BCC1B1,
BC⊂平面 BCC1B1,BC∩CC1=C,
所以 AC⊥平面 BCC1B1.
又因为 BC1⊂平面 BCC1B1,所以 BC1⊥AC.
因为 BC=CC1,所以矩形 BCC1B1 是正方形,
因此 BC1⊥B1C.
因为 AC,B1C⊂平面 B1AC,AC∩B1C=C,
所以 BC1⊥平面 B1AC.
又因为 AB1⊂平面 B1AC,所以 BC1⊥AB1.
题型 2 平面图形的翻折问题
例 2 [2016·全国卷Ⅱ]如图,菱形 ABCD 的对角线 AC 与 BD
交于点 O,AB=5,AC=6,点 E,F 分别在 AD,CD 上,AE=CF=
5
4
,EF 交 BD 于点 H.将△DEF 沿 EF 折到△D′EF 的位置,OD′=
10.
(1)证明:D′H⊥平面 ABCD;
(2)求二面角 B-D′A-C 的正弦值.
解题视点 (1)利用线面垂直的判定定理进行证明;(2)建立空间
直角坐标系,利用向量法求解.
解 (1)证明:由已知得 AC⊥BD,AD=CD.
又由 AE=CF,得AE
AD
=CF
CD
,故 AC∥EF.
因此 EF⊥HD,从而 EF⊥D′H.
由 AB=5,AC=6,得 DO=BO= AB2-AO2=4.
由 EF∥AC,得OH
DO
=AE
AD
=1
4
.
所以 OH=1,D′H=DH=3.
于是 D′H2+OH2=32+12=10=D′O2,
故 D′H⊥OH.又 D′H⊥EF,而 OH∩EF=H,
所以 D′H⊥平面 ABCD.
(2)如图,以 H 为坐标原点,HF
→
的方向为 x 轴正方向,HD
→
的方向
为 y 轴正方向,HD′→
的方向为 z 轴正方向,建立空间直角坐标系
Hxyz.
则 H(0,0,0),A(-3,-1,0),B(0,-5,0),C(3,-1,0),
D′(0,0,3),AB
→
=(3,-4,0),AC
→
=(6,0,0),AD ′→
=(3,1,3).
设 m=(x1,y1,z1)是平面 ABD′的法向量,
则Error!即Error!
所以可取 m=(4,3,-5).
设 n=(x2,y2,z2)是平面 ACD′的法向量,
则Error!即Error!
所以可取 n=(0,-3,1).
于是 cos〈m,n〉= m·n
|m||n|
= -14
50 × 10
=-7 5
25
,
所以 sin〈m,n〉=2 95
25
.
因此二面角 B-D′A-C 的正弦值是2 95
25
.
冲关策略
解决与折叠有关的问题的关键是搞清折叠前后的变化量和不变
量.一般情况下,长度是不变量,而位置关系往往会发生变化,抓住
不变量是解决问题的突破口.
变式训练 2
[2018·皖南八校联考]如图 1,在等腰梯形 PDCB 中,PB∥DC,PB
=3,DC=1,∠DPB=45°,DA⊥PB 于点 A,将△PAD 沿 AD 折起,
构成如图 2 所示的四棱锥 P-ABCD,点 M 在棱 PB 上,且 PM= 1
2
MB.
(1)求证:PD∥平面 MAC;
(2)若平面 PAD⊥平面 ABCD,求二面角 M-AC-B 的余弦
值.
解 (1)证明:连接 BD 交 AC 于点 N,连接 MN,
依题意知 AB∥CD,∴△ABN∽△CDN,
∴BN
ND
=BA
CD
=2,∵PM=1
2
MB,
∴BN
ND
=BM
MP
=2,∴在△BPD 中,MN∥PD,
又 PD⊄平面 MAC,MN⊂平面 MAC.
∴PD∥平面 MAC.
(2)∵平面 PAD⊥平面 ABCD,平面 PAD∩平面 ABCD=AD,PA
⊥AD,PA⊂平面 PAD,∴PA⊥平面 ABCD,又 AB⊂平面 ABCD∴
PA⊥AB,又 AD⊥AB,∴PA,AD,AB 两两垂直,以 A 为坐标原
点,分别以AD
→
,AB
→
,AP
→
的方向为 x,y,z 轴的正方向建立空间直角
坐标系,如图所示.
∵AP=AD=1,AB=2,且 PM=1
2
MB,
∴A(0,0,0),B(0,2,0),P(0,0,1),M(0,2
3
,2
3),C(1,1,0),
∴AP
→
=(0,0,1),AM
→
=
(0,2
3
,2
3),AC
→
=(1,1,0),
∵PA⊥平面 ABCD,∴n1=AP
→
=(0,0,1)为平面 ABC 的一个法向
量.
设平面 MAC 的法向量为 n2=(x,y,z),
则Error! ∴Error!
令 x=1,则 y=-1,z=1,∴n 2=(1,-1,1)为平面 MAC 的一
个法向量,
∴cos〈n1,n2〉= n1·n2
|n1||n2|
= 1
1 × 3
= 3
3
,
易知二面角 M-AC-B 的平面角为锐角,
∴二面角 M-AC-B 的余弦值为 3
3
.
题型 3 向量法解决探索性问题
命题角度 1 探索性问题与平行相结合
例 3 [2016·北京高考]如图,在四棱锥 P-ABCD 中,平面 PAD
⊥平面 ABCD,PA⊥PD,PA=PD,AB⊥AD,AB=1,AD=2,AC=
CD= 5.
(1)求证:PD⊥平面 PAB;
(2)求直线 PB 与平面 PCD 所成角的正弦值;
(3)在棱 PA 上是否存在点 M,使得 BM∥平面 PCD?若存在,求
AM
AP
的值;若不存在,说明理由.
解题视点 (1)欲证 PD⊥平面 PAB,只需在平面 PAB 内找两条相
交直线与 PD 垂直;(2)建立空间直角坐标系,求出直线 PB 的方向向
量与平面 PCD 的法向量,即可求直线 PB 与平面 PCD 所成角的正弦
值;(3)假设在棱 PA 上存在点 M,使得 BM∥平面 PCD,利用直线 BM
的方向向量与平面 PCD 的法向量垂直,得参数所满足的方程,若能
求出参数的值,则说明存在,否则,不存在.
解 (1)证明:因为平面 PAD⊥平面 ABCD,平面 PAD∩平面 ABCD
=AD,AB⊂平面 ABCD,AB⊥AD,所以 AB⊥平面 PAD,所以 AB⊥
PD.
又因为 PA⊥PD,PA∩AB=A,所以 PD⊥平面 PAB.
(2)取 AD 的中点 O,连接 PO,CO.
因为 PA=PD,所以 PO⊥AD.
又因为 PO⊂平面 PAD,平面 PAD⊥平面 ABCD,所以 PO⊥平
面 ABCD.
因为 CO⊂平面 ABCD,所以 PO⊥CO.
因为 AC=CD,所以 CO⊥AD.
如图建立空间直角坐标系 Oxyz.
由题意,得 A(0,1,0),B(1,1,0),C(2,0,0),D(0,-1,0),P(0,0,1),
PD
→
=(0,-1,-1),PC
→
=(2,0,-1).
设平面 PCD 的法向量为 n=(x,y,z),
则Error!即Error!
令 z=2,则 x=1,y=-2.所以 n=(1,-2,2).
又PB
→
=(1,1,-1),所以 cos〈n,PB
→
〉=
n·PB
→
|n||PB
→
|
=- 3
3
.
所以直线 PB 与平面 PCD 所成角的正弦值为 3
3
.
(3)设 M 是棱 PA 上一点,则存在 λ∈[0,1]使得AM
→
=λAP
→
.因此点
M(0,1-λ,λ),BM
→
=(-1,-λ,λ).
因为 BM⊄平面 PCD,所以 BM∥平面 PCD 当且仅当BM
→
·n=0,
即(-1,-λ,λ)·(1,-2,2)=0,解得 λ=1
4
.所以在棱 PA 上存在一点 M
使得 BM∥平面 PCD,此时AM
AP
=1
4
.
冲关策略
利用向量法探究线面平行,只须将这条直线的方向向量用平面内
两个不共线的向量来线性表示或转化为直线的方向向量与平面的法
向量垂直来处理,再说明这条直线不在已知平面内.
命题角度 2 探索性问题与垂直相结合
例 4 [2018·湖北宜昌]如图所示,四边形 ABCD 是边长为 1 的
正方形,MD⊥平面 ABCD,NB⊥平面 ABCD,且 MD=NB=1,E
为 BC 的中点.
(1)求异面直线 NE 与 AM 所成角的余弦值;
(2)在线段 AN 上是否存在点 S,使得 ES⊥平面 AMN?若存在,
求线段 AS 的长;若不存在,请说明理由.
解题视点 (1)由公式cosθ= |a·b|
|a||b|
,求得异面直线所成角的余弦值;
(2)设出空间点的坐标,利用向量垂直的坐标表示.
解 (1)如图,以 D 为坐标原点,建立空间直角坐标系 Dxyz.
依题意得 D(0,0,0),A(1,0,0),M(0,0,1),C(0,1,0),
B(1,1,0),N(1,1,1),E(
1
2
,1,0),
所以NE
→
=
(-1
2
,0,-1),AM
→
=(-1,0,1),
因为|cos〈NE
→
,AM
→
〉|=
|NE
→
·AM
→
|
|NE
→
||AM
→
|
=
1
2
5
2 × 2
= 10
10
.
所以异面直线 NE 与 AM 所成角的余弦值为 10
10
.
(2)假设在线段 AN 上存在点 S,使得 ES⊥平面 AMN.
连接 AE,ES,如图所示.
因为AN
→
=(0,1,1),可设AS
→
=λAN
→
=(0,λ,λ)(0≤λ≤1),
又EA
→
=
(
1
2
,-1,0),
所以ES
→
=EA
→
+AS
→
=
(
1
2
,λ-1,λ).
由 ES⊥平面 AMN,
得Error!即Error!
解得 λ=1
2
,此时AS
→
=
(0,1
2
,1
2),|AS
→
|= 2
2
.
经检验,当 AS= 2
2
时,ES⊥平面 AMN.
故线段 AN 上存在点 S,使得 ES⊥平面 AMN,
此时 AS= 2
2
.
冲关策略
利用向量法探究垂直问题,其一证明直线与直线垂直,只需证明
两条直线的方向向量垂直,其二证明面面垂直,只需证明两个平面的
法向量垂直,解题的关键是灵活建系,从而将几何证明转化为向量运
算.
命题角度 3 探索性问题与空间角相结合
例 5 如图,在四棱锥 P-ABCD 中,PA⊥平面 ABCD,AD∥
BC,AD⊥CD,且 AD=CD=2 2,BC=4 2,PA=2.
(1)求证:AB⊥PC;
(2)在线段 PD 上,是否存在一点 M,使得二面角 M-AC-D 的
大小为 45°,如果存在,求 BM 与平面 MAC 所成角的正弦值,如果
不存在,请说明理由.
解题视点 (1)利用几何图形的特点,将空间问题平面化后,找
出垂直关系,进行证明;(2)假设存在点 M,利用二面角 M-AC-D
的大小为 45°确定点 M 的位置,再利用平面 MAC 的法向量求线面
角.
解 (1)证明:如图,由已知得四边形 ABCD 是直角梯形,
由 AD=CD=2 2,BC=4 2,可得△ABC 是等腰直角三角形,
即 AB⊥AC,
因为 PA⊥平面 ABCD,AB⊂平面 ABCD,所以 PA⊥AB,又 PA∩AC
=A,
所以 AB⊥平面 PAC,又 PC⊂平面 PAC,
所以 AB⊥PC.
(2)取 BC 的中点 E,连结 AE,AE⊥BC.
建立如图所示的空间直角坐标系,则 A(0,0,0),C(2 2,2 2,0),
D(0,2 2,0),P(0,0,2),B(22,-2 2,0),PD
→
=(0,2 2,-2),AC
→
=
(2 2,2 2,0).
设PM
→
=tPD
→
(00,矛盾.
∴这样的点 P 不存在.
4.[2018·陕西模拟]在如图所示的多面体 ABCDEF 中,ABCD 为
正方形,底面 ABFE 为直角梯形,平面 ABCD⊥平面 ABFE,AE∥
BF,∠EAB=90°,AB=1
2
BF=1.
(1)求证:DB⊥EC;
(2)若 AE=AB,求二面角 C-EF-B 的余弦值.
解 (1)证明:因为底面 ABFE 为直角梯形,AE∥BF,∠EAB=
90°,
所以 AE⊥AB,BF⊥AB.
因为平面 ABCD⊥平面 ABFE,平面 ABCD∩平面 ABFE=AB,
所以 AE⊥平面 ABCD,BF⊥平面 ABCD,
所以 BF⊥BC.
设 AE=t,以 BA,BF,BC 所在的直线分别为 x,y,z 轴建立如
图所示的空间直角坐标系,
则 B(0,0,0),C(0,0,1),D(1,0,1),E(1,t,0),
故DB
→
=(-1,0,-1),EC
→
=(-1,-t,1),
因为DB
→
·EC
→
=(-1,0,-1)·(-1,-t,1)=1-1=0,
所以 DB⊥EC.
(2)由(1)可知BC
→
=(0,0,1)是平面 BEF 的一个法向量,设 n=(x1,
y1,z1)是平面 CEF 的法向量,
因为 AE=AB=1,所以 E(1,1,0),又 F(0,2,0),
故CE
→
=(1,1,-1),CF
→
=(0,2,-1).
由CE
→
·n=(1,1,-1)·(x 1,y1,z1)=0 可得 x1+y1-z1=0,
由CF
→
·n=(0,2,-1)·(x 1,y1,z1)=0 可得 2y1-z1=0,
令 z1=2,得 y1=1,x1=1,故 n=(1,1,2)为平面 CEF 的一个法向
量,
所以 cos〈n·BC
→
〉=
n·BC
→
|n||BC
→
|
= 2
1 × 6
= 6
3
,
易知二面角 C-EF-B 的平面角为锐角,
所以二面角 C-EF-B 的余弦值为 6
3
.
5.[2018·长沙模拟]如图,已知四棱锥 S-ABCD,底面梯形 ABCD
中,BC∥AD,平面 SAB⊥平面 ABCD,△SAB 是等边三角形,已知 AC
=2AB=4,BC=2AD=2DC=2 5.
(1)求证:平面 SAB⊥平面 SAC;
(2)求二面角 B-SC-A 的余弦值.
解 (1)证明:在△BCA 中,由于 AB=2,CA=4,BC=2 5,
∴AB2+AC2=BC2,故 AB⊥AC.
又平面 SAB⊥平面 ABCD,平面 SAB∩平面 ABCD=AB,
AC⊂平面 ABCD,∴AC⊥平面 SAB,
又 AC⊂平面 SAC,故平面 SAC⊥平面 SAB.
(2)如图,建立空间直角坐标系 Axyz,则 A(0,0,0),B(2,0,0),
S(1,0, 3),C(0,4,0), CS
→
=(1,-4, 3), BC
→
=(-2,4,0), AC
→
=
(0,4,0).
设平面 SBC 的法向量 n=(x1,y1,z1),
Error!⇒Error!
令 y1=1,则 x1=2,z1=2 3
3
,∴n=
(2,1,2 3
3 ).
设平面 SCA 的法向量 m=(x2,y2,z2),
Error!⇒Error!令 x2=- 3,
∴m=(- 3,0,1).
∴|cos〈n,m〉|=|n·m|
|n||m|
=2 19
19
,
易知二面角 B-SC-A 的平面角为锐角,
∴二面角 B-SC-A 的余弦值为2 19
19
.
6.如图 1,在直角梯形 ABCD 中,AD∥BC,AB⊥BC,BD⊥
DC,点 E 是 BC 边的中点,将△ABD 沿 BD 折起,使平面 ABD⊥平
面 BCD,连接 AE,AC,DE,得到如图 2 所示的几何体.
(1)求证:AB⊥平面 ADC;
(2)若 AD=1,二面角 C-AB-D 的平面角的正切值为 6,求二
面角 B-AD-E 的余弦值.
解 (1)证明:因为平面 ABD⊥平面 BCD,平面 ABD∩平面 BCD
=BD,
又 BD⊥DC,所以 DC⊥平面 ABD.
因为 AB⊂平面 ABD,所以 DC⊥AB.
又折叠前后均有 AD⊥AB,DC∩AD=D,
所以 AB⊥平面 ADC.
(2)由(1)知 AB⊥平面 ADC,所以 AB⊥AC,又 AB⊥AD,所以二
面角 C-AB-D 的平面角为∠CAD.
又 DC⊥平面 ABD,AD⊂平面 ABD,所以 DC⊥AD.
依题意 tan∠CAD=CD
AD
= 6.
因为 AD=1,所以 CD= 6,
设 AB=x(x>0),则 BD= x2+1.
依题意△ABD∽△DCB,所以AB
AD
=CD
BD
,即x
1
= 6
x2+1
.
又 x>0,解得 x= 2,故 AB= 2,BD= 3,BC= BD2+CD2=
3.
如图所示,建立空间直角坐标系 Dxyz,则 D(0,0,0),B( 3,0,0),
C(0,6,0),E
(
3
2
, 6
2
,0),A
(
3
3
,0, 6
3 ),所以DE
→
=
(
3
2
, 6
2
,0),
DA
→
=
(
3
3
,0, 6
3 ).
由(1)知平面 BAD 的一个法向量为 n=(0,1,0).
设平面 ADE 的法向量为 m=(x,y,z),
由Error!得Error!
令 x= 6,得 y=- 3,z=- 3,
所以 m=( 6,- 3,- 3).
所以 cos〈n,m〉= n·m
|n||m|
=-1
2
.
由图可知二面角 B-AD-E 的平面角为锐角,
所以二面角 B-AD-E 的余弦值为1
2
.
7.[2018·泰安模拟]如图所示,在四棱台 ABCD-A1B1C1D1 中,AA1
⊥底面 ABCD,四边形 ABCD 为菱形,∠BAD=120°,AB=AA1=2A1B1
=2.
(1)若 M 为 CD 中点,求证:AM⊥平面 AA1B1B;
(2)求直线 DD1 与平面 A1BD 所成角的正弦值.
解 (1)证明:四边形 ABCD 为菱形,∠BAD=120°,连接 AC,
如图,则△ACD 为等边三角形,
又 M 为 CD 的中点,∴AM⊥CD,由 CD∥AB 得,AM⊥AB,
∵AA1⊥底面 ABCD,AM⊂平面 ABCD,∴AM⊥AA1,
又 AB∩AA1=A,
∴AM⊥平面 AA1B1B.
(2)∵四边形 ABCD 为菱形,∠BAD=120°,AB=AA 1=2A1B1=
2,∴DM=1,AM= 3,∴∠AMD=∠BAM=90°,又 AA 1⊥底面
ABCD,
∴以 AB,AM,AA1 所在直线分别为 x 轴,y 轴,z 轴,建立如图
所示的空间直角坐标系 Axyz,
则 A1(0,0,2),B(2,0,0),D(-1,3,0),D1(-1
2
, 3
2
,2),
∴DD1
→
=
(
1
2
,- 3
2
,2),BD
→
=(-3,3,0),
A1B
→
=(2,0,-2),
设平面 A1BD 的法向量为 n=(x,y,z),
则Error!⇒Error!⇒y= 3x= 3z,令 x=1,则 n=(1,3,1),
∴直线 DD1 与平面 A1BD 所成角 θ 的正弦值
sinθ=|cos〈n,DD1
→
〉|=
|
n·DD1
→
|n||DD1
→
||=1
5
.
8.[2017·全国卷Ⅱ]如图,四棱锥 P-ABCD 中,侧面 PAD 为等
边三角形且垂直于底面ABCD,AB=BC=1
2
AD,∠BAD=∠ABC=90°,
E 是 PD 的中点.
(1)证明:直线 CE∥平面 PAB;
(2)点 M 在棱 PC 上,且直线 BM 与底面 ABCD 所成角为 45°,求
二面角 M-AB-D 的余弦值.
解 (1)证明:取 PA 的中点 F,连接 EF,BF.
因为 E 是 PD 的中点,所以 EF∥AD,EF=1
2
AD.
由∠BAD=∠ABC=90°得 BC∥AD,
又 BC=1
2
AD,所以 EF 綊 BC,
四边形 BCEF 是平行四边形,CE∥BF.
又 BF⊂平面 PAB,CE⊄平面 PAB,故 CE∥平面 PAB.
(2)由已知得 BA⊥AD,以 A 为坐标原点,AB
→
的方向为 x 轴正方
向,|AB
→
|为单位长度,建立如图所示的空间直角坐标系 Axyz,则
A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,1,0),P(0,1, 3),PC
→
=(1,0,- 3),AB
→
=
(1,0,0).
设 M(x,y,z)(0